CN112485253A - 玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合比的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合比的确定方法，首先制备沥青混合料标准试件，并进行切割；然后获取试件不同位置断面的数字图像，并对图像进行灰度化、增强、过滤小粒子等预处理和二值化；接着提取沥青混合料形态学参数；最后进行统计学分析，确定纤维最佳长度组合和比例。本发明能够有效地确定不同级配沥青混合料最佳玄武岩纤维长度组合方案和比例，避免了传统宏观试验方法耗时耗力的缺点，具有操作性强、效率高、成本低等优点。

Description

玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合比的确定方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料领域，尤其是一种玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合和比例的确定方法。
背景技术
将玄武岩纤维应用于沥青混合料，是提高其高温、低温和抗疲劳性能的有效手段，从而提高路面耐久性，延长使用寿命，已经成为国内外沥青路面材料发展的主流方向之一。
大量研究表明，在相同掺量的情况下纤维长度是影响沥青混合料性能增强效果的重要因素，不同长度组合增强效果要优于单一长度。由于沥青混合料级配类型、玄武岩纤维长度规格(主要有3mm、6mm、9mm、12mm、15mm)众多，目前尚无有效的方法来确定不同沥青混合料的玄武岩纤维最佳长度组合和该组合中不同长度纤维的重量比例。如何确定纤维最佳长度组合和相应比例(即最佳长度组合比)，是最大限度发挥纤维增强效果的关键所在。
通过调查发现，国内外对于玄武岩纤维沥青混合料纤维最佳长度组合和比例确定基本都是采用列举法，通过正交试验组合获取材料性能，并进行对比优选，主要存在以下问题：
1.宏观试验过程繁杂，耗时耗力，效率低；
2.混合料级配类型、纤维长度规格众多，试验方法很难穷尽所有组合方式，确定的组合仅仅是列举中结果较好的。
因此，如何避免大量宏观试验，准确、高效、便捷的进行纤维最佳长度组合和比例确定，最大限度发挥玄武岩纤维的增强效果，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对上述现有方法的不足，提出了一种纤维最佳长度组合和比例确定方法，该方法操作性强、效率高、成本低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合比的确定方法，包括如下步骤：
S1，制备玄武岩纤维沥青混合料标准试件，并切割以获得不同位置的断面；
S2，获取试件不同位置断面的数字图像；
S3，对该数字图像进行预处理后二值化；
S4，提取该沥青混合料形态学参数；
S5，进行统计学分析，确定该沥青混合料中玄武岩纤维的最佳长度组合和相应比例关系。
优选的，步骤S1中，玄武岩纤维沥青混合料标准试件为旋转压实成型的圆柱体试件，直径为150mm，高度为50mm-150mm。
优选的，步骤S1中，平行于试件底部为切割平面对试件进行切割以获得不同位置的断面，切割平面(断面)间距为20mm-30mm，切割平面的个数为3～5个。
优选的，步骤S2中，不同断面的数字图像通过数码相机拍照或CT扫描获取。
优选的，步骤S3中，所述数字图像预处理依次包括图像灰度化、图像增强、过滤小粒子，具体如下：
(1)图像灰度化：将数字图像转化为灰度图像；
(2)图像增强：采用中值滤波进行图像增强；
(3)过滤小粒子：剔除直径小于2.36mm的粒子。
优选的，步骤S3中，所述数字图像二值化是指：采用“类间方差最大”原则，确定全局最佳分割阈值，分离图像中的沥青砂浆和集料。
优选的，步骤S4中，沥青混合料形态学参数是指沥青砂浆主轴长度。
优选的，步骤S5中，统计学分析包括以下步骤：
(1)将提取的沥青砂浆主轴长度按升序或降序排列；
(2)统计沥青砂浆主轴长度在区间(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[15，+∞)的数量，分别记为n1、n2、……ni，i为1～16的整数；
(3)确定ni最大值Max(ni)；
(4)确定玄武岩纤维最佳长度组合：若最大值Max(ni)位于n1～n6所在区间，则纤维最佳长度取L＝6mm，最佳长度组合为3mm、6mm、9mm；若最大值位于n7～n9所在区间，则纤维最佳长度取L＝9mm，最佳长度组合为6mm、9mm、12mm；若最大值位于n10～n16所在区间，则纤维最佳长度取L＝12mm，最佳长度组合为9mm、12mm、15mm；
(5)确定最佳长度组合下不同长度的玄武岩纤维相应比例：最佳长度组合下三种长度纤维的最佳质量比为m(L-3)：mL：m(L+3)＝[n(i-2)+n(i-1)]：ni：[n(i+1)+n(i+2)]。
与现有技术相比，本发明具有以下效益：
1.本发明提供的纤维最佳长度组合比的确定方法，避免了宏观试验繁杂的过程，省时省力，效率高；
2.本发明提供的纤维最佳长度组合比的确定方法，可以针对不同级配类型沥青混合料，避免了传统试验尝试方法，操作性强，成本低。
附图说明
图1是本发明提供的纤维最佳长度组合比的确定方法的实施流程示意图。
图2是本发明提供的沥青混合料断面图像处理过程。
图3是实施例1，对比例1-1和对比例1-2提供的玄武岩纤维最佳长度组合比与其他长度组合比的沥青混合料抗开裂性能对比图。
图4是实施例1，对比例1-1和对比例1-2提供的玄武岩纤维最佳长度组合比与其他长度组合比的混合料抗疲劳性能对比图。
图5是实施例2，对比例2-1和对比例2-2提供的玄武岩纤维最佳长度组合比与其他长度组合比的沥青混合料抗开裂性能对比图。
图6是实施例2，对比例2-1和对比例2-2提供的玄武岩纤维最佳长度组合比与其他长度组合比的混合料抗疲劳性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述：
图1是本发明提供的纤维最佳长度组合比的确定方法的实现过程示意图。包括如下过程：
步骤一：制备沥青混合料标准试件，沥青混合料标准试件为旋转压实成型的圆柱体试件，直径为150mm，高度为50mm-150mm，并平行于圆柱体试件底部为切割平面对试件进行切割以获得不同位置的断面，切割平面(断面)间距为20mm-30mm，切割平面的个数为3～5个；
步骤二：通过数码相机拍照或CT扫描获取试件不同位置断面的数字图像；
步骤三：如图2所示，对数字图像进行图像预处理后二值化，图像处理包括：灰度化、增强、过滤小粒子，预处理后的数字图像中包含“沥青砂浆”、“集料”等信息，灰度值不同，二值化就是将整体分成2个灰度值，一个代表沥青砂浆，一个代表集料；
步骤四：根据预处理和二值化的数字图像，提取沥青混合料形态学参数即沥青砂浆主轴长度；
步骤五：进行统计学分析，确定纤维最佳长度组合比，具体包括以下步骤：
(1)将提取的沥青砂浆主轴长度按升序或降序排列；
(2)统计沥青砂浆主轴长度在区间(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[15，+∞)的数量，分别记为n1、n2、……ni，i为1～16的整数；
(3)确定ni最大值Max(ni)；
(4)确定玄武岩纤维最佳长度组合：若最大值Max(ni)位于n1～n6所在区间，则纤维最佳长度取L＝6mm，最佳长度组合为3mm、6mm、9mm；若最大值位于n7～n9所在区间，则纤维最佳长度取L＝9mm，最佳长度组合为6mm、9mm、12mm；若最大值位于n10～n16所在区间，则纤维最佳长度取L＝12mm，最佳长度组合为9mm、12mm、15mm；
(5)确定最佳长度组合下不同长度的玄武岩纤维相应比例：最佳长度组合下三种长度纤维的最佳质量比为m(L-3)：mL：m(L+3)＝[n(i-2)+n(i-1)]：ni：[n(i+1)+n(i+2)]。
上述公式即最佳长度组合下三种长度纤维的最佳质量比公式是通过大量的试验验证推导和经验得出：针对不同级配类型沥青混合料，枚举不同长度纤维组合，采用正交试验方法，进行玄武岩纤维混合料性能测试，并对比分析，提出最优纤维长度组合方案。将最优纤维长度组合方案和多种沥青混合料微观形态学参数进行关联分析，得到了最佳长度组合下三种长度纤维的最佳质量比公式。
实施例1
制备沥青混合料标准试件：以Superpave-13沥青混合料为例，沥青混合料标准试件为旋转压实成型的圆柱体试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)制备，选取直径为150mm，高度为115mm。
获取不同断面的数字图像：采用沥青混合料专用切割机，平行于圆柱体形试件底部为切割方向对试件进行切割3次，获取3个不同位置断面，间距30mm。采用数码相机对断面进行拍照，获取断面数字图像。
进行图像预处理和二值化：对获取的图像进行灰度化、增强、过滤直径小于2.36mm的粒子等处理，并采用“类间方差最大”原则确定分割阈值，对图像进行二值化处理，分离沥青砂浆和集料。
提取沥青混合料形态学参数：将图像导入Image-Pro-Plus(IPP)软件，选取沥青砂浆主轴长度参数，提取参数，生成EXCEL表格。
进行统计学分析，确定纤维最佳长度组合和比例：将参数进行升序排列，并统计主轴长度在区间(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[15，+∞)的数量，分别记为n1、n2、n3、……、n16，其中n1＝2.4％、n2＝4.9％、n3＝14.6％、n4＝17.1％、n5＝24.4％、n6＝18.3％、n7＝11.0％、n8＝2.4％、n9＝1.6％、n10＝1.3％、n11＝0.7％、n12＝0.6％、n13＝0.2％、n14＝0.1％、n15＝0.2％，n16＝0.1％。对比分析Max(ni)＝n5＝24.4％，则纤维最佳长度为L＝6mm，纤维最佳长度组合为3mm、6mm、9mm，最佳长度组合下三种长度纤维质量比为mL3:mL6:mL9＝(n3+n4):n5:(n6+n7)＝31.7:24.4:29.3≈6:5:6。
选取玄武岩纤维长度组合为3mm、6mm、9mm且其质量比为mL3:mL6:mL9＝6:5:6，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-13玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图3和图4所示。
对比例1-1
选取玄武岩纤维长度组合为3mm、6mm、9mm且其质量比为mL3:mL6:mL9＝2:1:2，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-13玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图3和图4所示。
对比例1-2
选取玄武岩纤维长度组合为3mm、6mm、9mm且其质量比为mL3:mL6:mL9＝2:2:1，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-13玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图3和图4所示。
本发明提供的玄武岩纤维长度组合和比例与其他长度组合和比例的沥青混合料抗开裂性能和抗疲劳性能对比如表1。
表1不同纤维组合方式沥青混合料性能对比
Figure BDA0002778790650000061
实施例2
制备沥青混合料标准试件：以Superpave-25沥青混合料为例，沥青混合料标准试件为旋转压实成型的圆柱体试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)制备，选取直径为150mm，高度为115mm。
获取不同断面的数字图像：采用沥青混合料专用切割机，平行于圆柱体形试件底部为切割方向对试件进行切割3次，获取3个不同位置断面，间距30mm。采用数码相机对断面进行拍照，获取断面数字图像。
进行图像预处理和二值化：对获取的图像进行灰度化、增强、过滤直径小于2.36mm的粒子等处理，并采用“类间方差最大”原则确定分割阈值，对图像进行二值化处理，分离沥青砂浆和集料。
提取沥青混合料形态学参数：将图像导入Image-Pro-Plus(IPP)软件，选取沥青砂浆主轴长度参数，提取参数，生成EXCEL表格。
进行统计学分析，确定纤维最佳长度组合和比例：将参数进行升序排列，并统计主轴长度在区间(0，1)、[1，2)、[2，3)、……、[15，+∞)的数量，分别记为n1、n2、n3、……、n16，其中n1＝1.0％、n2＝1.3％、n3＝3.0％、n4＝3.5％、n5＝4.5％、n6＝5.9％、n7＝8.9％、n8＝13.9％、n9＝16.8％、n10＝20.8％、n11＝10.9％、n12＝4.0％、n13＝3.4％、n14＝1.6％、n15＝0.2％、n16＝0.3％。对比分析Max(ni)＝n10＝20.8％，则纤维最佳长度为L＝12mm，纤维最佳长度组合为9mm、12mm、15mm，最佳长度组合下三种长度纤维质量比为mL3:mL6:mL9＝(n8+n9):n10:(n11+n12)＝30.7:20.8:14.9≈6:4:3。
选取玄武岩纤维长度组合为9mm、12mm、15mm且其质量比为mL9:mL12:mL15＝6:4:3，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-25玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图5和图6所示。
对比例2-1
选取玄武岩纤维长度组合为9mm、12mm、15mm且其质量比为mL9:mL12:mL15＝1:1:1，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-25玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图5和图6所示。
对比例2-2
选取玄武岩纤维长度组合为9mm、12mm、15mm且其质量比为mL9:mL12:mL15＝1:2:2，纤维总掺量为沥青混合料总质量的0.3％，制备Superpave-25玄武岩纤维沥青混合料，采用理想开裂试验和四点弯曲疲劳试验分别测试其抗开裂性能和抗疲劳性能，结果如图5和图6所示。
本发明提供的玄武岩纤维长度组合和比例与其他长度组合和比例的沥青混合料抗开裂性能和抗疲劳性能对比如表2。
表2不同纤维组合方式沥青混合料性能对比
Figure BDA0002778790650000071
以上实施效果可知，本发明所述的确定方法可以适用于不同级配类型的沥青混合料，且该方法操作性强、效率高、成本低。

Claims (8)

1.一种玄武岩纤维沥青混合料中纤维最佳长度组合比的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制备玄武岩纤维沥青混合料标准试件，并切割以获得不同位置的断面；
S2，获取试件不同位置断面的数字图像；
S3，对该数字图像进行预处理后二值化；
S4，提取该沥青混合料形态学参数；
S5，进行统计学分析，确定该沥青混合料中玄武岩纤维的最佳长度组合和相应比例关系。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，玄武岩纤维沥青混合料标准试件为旋转压实成型的圆柱体试件，直径为150mm，高度为50mm-150mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，平行于试件底部为切割平面对试件进行切割以获得不同位置的断面，切割平面（断面）间距为20mm-30mm，切割平面的个数为3~5个。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，不同位置断面的数字图像通过数码相机拍照或CT扫描获取。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述数字图像预处理依次包括图像灰度化、图像增强、过滤小粒子，具体如下：
（1）图像灰度化：将数字图像转化为灰度图像；
（2）图像增强：采用中值滤波进行图像增强；
（3）过滤小粒子：剔除直径小于2.36mm的粒子。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述数字图像二值化是指：采用“类间方差最大”原则，确定全局最佳分割阈值，分离图像中的“沥青砂浆”和“集料”信息。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，沥青混合料形态学参数是指沥青砂浆主轴长度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，统计学分析包括以下步骤：
（1）将提取的沥青砂浆主轴长度按升序或降序排列；
（2）统计沥青砂浆主轴长度在区间（0，1）、[1，2）、[2，3）、……、[15，+∞）的数量，分别记为n1、n2、……ni，i为1~16的整数；
（3）确定ni最大值Max（ni）；
（4）确定玄武岩纤维最佳长度组合：若最大值Max（ni）位于n1~n6所在区间，则纤维最佳长度取L=6 mm，最佳长度组合为3 mm、6 mm、9 mm；若最大值位于n7~n9所在区间，则纤维最佳长度取L=9 mm，最佳长度组合为6 mm、9 mm、12 mm；若最大值位于n10~n16所在区间，则纤维最佳长度取L=12 mm，最佳长度组合为9 mm、12 mm、15 mm；
（5）确定最佳长度组合下不同长度的玄武岩纤维相应比例：最佳长度组合下三种长度纤维的最佳质量比为m（L-3）：mL：m（L+3）= [n（i-2）+n（i-1）]：ni：[n（i+1）+ n（i+2）]。
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